电动汽车减速器结构设计与分析开题报告

全文总字数：7634字

1. 研究目的与意义（文献综述）

1 研究背景及意义

经济全球化的快速发展使得各国间的工业技术交流更加频繁，汽车产业也呈现出一种高速发展的态势，并且成为衡量一个国家科学技术水平和物质生活水平的重要产业。随着汽车保有量的快速增长，化石能源被大量消耗，造成能源危机的同时带来了严重的环境污染问题。预计到2055年，全球的人口总数将突破100亿，汽车的保有量也将突破25亿，全球剩余的化石能源将不能满足日益增长的汽车数量^[1]。世界各国，尤其是发达国家汽车公司开始积极研发新能源技术，推进汽车清洁能源技术的应用。发展新能源汽车，寻求零排放、低噪声、综合利用型能源是必然的方向^[2]。

新能源汽车主要包括纯电动汽车、混合动力汽车和燃料电池汽车等，混合动力汽车作为传统燃油汽车和纯电动汽车之间的过度产品，已经成为时下较为普及的新能源汽车产品，并且在一定程度上缓解了能源耗费和环境污染的问题。但是混合动力汽车没有从根本上解决这两个问题，只是提高了化石能源的能量利用率。纯电动汽车是指以车载电源为动力,用电机驱动车轮行驶,符合各项道路交通安全法规的车辆。纯电动汽车具有无污染、噪声低、能源效率高、来源多样化、结构简单等优点^[3]，因此从长远角度来看，发展纯电动汽车将是未来趋势，进一步推进纯电动汽车的普及，对减少化石能源消耗和环境保护具有重要意义。

微型纯电动汽车普遍定义为以镍氢电池、铅酸电池、锂电池等为唯一动力源，同时符合我国安全技术标准的乘用和货运等车辆，其设计时速在20～80km^[4]。虽然微型纯电动汽车在性能方面不及高端电动汽车，但其最大的优势在于小巧轻便、价格优惠、使用成本低。微型纯电动汽车不需要安装专用的充电桩，使得充电快捷便利。此外，微型纯电动汽车的特点决定了其面向的客户群体主要为收入水平较低、出行里程较短的大众群体，因此有着丰富的市场资源和发展潜力。

纯电动汽车的驱动系统布置形式决定了减速器的有无和减速器的结构形式，大部分驱动系统需要配备减速器来实现“降速增扭”的目标，而小部分驱动系统无需配备减速器，但对驱动电机的性能要求较高。纯电动汽车减速器作为驱动电机和驱动桥之间的关键联接部件，其性能优劣直接影响纯电动汽车续航里程和车辆性能^[2]。随着纯电动汽车整车技术的快速发展，以及人们对车辆续航里程和舒适性要求的不断提高，减速器也不断向着高效率、高适应性、轻质量、机电一体化等方向发展。

2 国内外研究现状

2.1国内外纯电动汽车研究现状

19世纪30年代，欧洲已经有人开始进行电动汽车的研究。19世纪80年代初，法国诞生了世界上第一辆电动汽车。此时由于铅酸电池和镍铬电池的研制成功，使得电动汽车开始了批量化的生产。20世纪初，镍氢电池的出现促进了电动汽车的发展。直到20世纪70年代，石油危机引起了人们对有限化石能源的关注，纯电动汽车的研究开发受到重视，国外很多著名的汽车公司不惜投入巨大的人力物力财力来研究、试验、试用电动汽车，这些国家也制定了相关的法规政策来推动电动汽车的发展^[5]。

日本是最早开始研究开发电动汽车的国家之一。从20世纪70年代至2000年中期之后，日本电动汽车发展经历了三个阶段，第一阶段计划因蓄电池这一关键技术难以突破而以失败告终，表1.1列出了第二三阶段普及电动汽车战略规划。1997年，日本科研单位开始研发高容量、髙密度、高效率的车用锂电池以取代车用镍氢电池，于2000年实现了小型锂电池的批量生产，日本汽车公司基于该成果向市场推出了轻型纯电动汽车。相比采用铅酸蓄电池有很大进步，但与传统燃油车相比，这种电动汽车在续航里程、最高速度、运行成本等方面存在不足，以至于其市场销量最高时也只有2500辆。从2007年开始，日本政府制定了电动汽车发展的长远规划。计划到2050年，880万辆电动汽车投入市场使用。为了达成这一目标，日本科研机构将研发重点着眼于电池技术，并相应提出了电池技术发展规划。

表1.1 日本第二三阶段普及电动汽车战略规划^[6]

其中，EV指纯电动汽车；PHV指混合动力汽车

美国是最早成功研制电动汽车的国家。政府为鼓励电动汽车产业发展，实施了新一代汽车伙伴计划、自由车计划、电动汽车电池利用研究项目、氢研究发展计划等扶持计划。美国的通用、福特、特斯拉公司凭借其雄厚的技术研发力量和先进制造条件，推出了具有不同特点的电动汽车。1996年，通用开发生产了第一代EV1，如图1.1所示。该车纯电驱动，采用了当时比较成熟的铅酸电池组，电池组能量16.5kWh，自重1.4吨，续航里程97km。2007年，雪佛兰Volt概念车亮相北美国际汽车展，如图1.2所示。该车采用了通用汽车最新的第五代燃料电池推进技术和锂电池，净重1588kg，在110V电源上充电约六小时即可充满锂电池，最大续驶里程可达483公里。福特汽车公司为了加速传统汽车业务的转换和改造，开发出更加节能环保的汽车，并于2011年推出了一款采用锂电池的福克斯电动汽车，如图1.3所示。电池组能量23kWh，续航里程160km。特斯拉公司的纯电动汽车Model S采

图1.1 通用第一代EV1图1.2雪佛兰Volt概念车

用独特的纯电动动力总成，如图1.4所示。百公里加速仅需2.6秒，续航里程达500km。车身前后各搭载一台电动机，通过对前后轮扭矩分别进行数字化独立控制，实现了在各种路况下的全天候牵引力控制。

图1.3 福克斯电动汽车 图1.4特斯拉ModelS

欧洲在纯电动汽车的技术研发方面一直具有领先优势。由于欧盟委员会颁布了更加严格的汽车尾气排放标准，很多欧洲国家汽车公司将纯电动汽车作为主要的产品研究方向^[7]。1990年，为帮助欧洲国家进行电动汽车研究开发，欧盟成立了城市电动汽车协会。法国作为欧洲普及推广纯电动汽车最成功的国家之一，鼓励人们使用电动汽车，同时实施了购买优惠政策。德国在汽车行业一直走在前列，大众、奔驰、宝马也都加入了研发电动汽车的行列。2019年，英国确定了2050年实现温室气体“净零排放”的目标，格拉斯哥市计划在5年内逐步淘汰燃油公共汽车^[8]。

我国在电动汽车研究领域起步并不算晚，与发达国家的技术水平差距相对较小。20世纪60年代国内就开始了电动汽车的研究工作，由于没有相关经验和充足的研究资金，研究进展缓慢。1980年以后，国家开始重视电动汽车产业的发展，国内的汽车公司、高校以及科研院所投入大量资源进行电动汽车的研究，取得了较好的科研成果。清华大学在2001年自主研发的电动中型客车，在40km/h等速运行时续航里程达到120km。2006年，国家科技部启动了863计划新能源汽车重大项目，计划的重点是电动汽车技术平台的产业化。在此期间，北京理工大学完成了纯电动公交客车、纯电动旅游客车的整车研发，并应用于2008年北京奥运会。东风汽车公司较早涉足电动汽车的研发，取得了17项实用新型及发明专利，其自主研发的纯电动客车东风天翼实现了1万公里零污染、零故障的目标。比亚迪公司凭借其在电池领域的技术底蕴，目前，比亚迪已有元EV-360、宋EV系列、秦EV系列、秦Pro-ev系列等纯电动汽车，其在2017年推出的比亚迪e6，电机最大功率90kW，配备82kWh的磷酸铁锂电池组,可以实现400km的综合工况续航里程。在过去的5年中，我国新能源车销量的年增幅均超过30%，大幅超过汽车行业整体增速，2016年销量50.7万辆，2017年销量77.7万辆，2018年销量达到125.6万辆，其中，纯电动汽车占比接近80%[8]。

综合国内外纯电动汽车发展现状可知，世界各国政府、汽车公司和科研机构都非常重视电动汽车的研发，但由于续驶里程、安全性能和使用成本等方面离人们的期望还有一定的差距，电动汽车的大规模产业化还处于初期的准备阶段，与之相关的技术和产品尚未形成规模化的工业体系，但是未来电动汽车的发展前景一片光明。

2.2国内外纯电动汽车减速器研究现状

国外汽车产业发展时间长，在汽车传动系统方面积累了深厚的技术和经验，得益于此，国外对电动汽车的研究起步早。在减速器的研发和应用上，国外汽车传动领域的企业投入了大量资金和人员，获得了较丰富的成果。

美国博格华纳集团研发生产的e Gear Drive系列减速器采用了无油泵的飞溅式润滑方式，减速器的结构简单，最小质量仅有28kg，可供选择的传动比也很广泛，有速比为6.54、7.17、8.00、8.28、8.76、9.07的6个版本，综合传动效率都大于97%^[9]。这种减速器采用斜齿轮传动，具有降低噪音、提高行驶里程的优点，从而降低对汽车电池的蓄电要求，为电动汽车带来优势。图1.5为31-03 e Gear Drive减速器。

图1.5 31-03 e Gear Drive减速器^[2]图1.6 e Axle传动模块采用的减速器

英国吉凯恩集团旗下的双速e Axle传动模块采用的减速器如图1.6所示。该减速器可提供最大2000N·m的扭矩和70kW的功率，可以使与其匹配的电动汽车车速达到125km/h^[9]。e Axle传动模块为满足苛刻的封装要求，使得整个减速器总成的质量仅为27kg，并且顺应缩减尺寸的趋势，达到了轻量化和节省成本的目的。

瑞士欧瑞康公司旗下传动系统品牌古加诺基于之前的电动双离合变速器技术研

发了新产品——4SED，4档调速电驱动变速器，如图1.7所示。这款新型紧凑型、轻量级的变速器不仅可以提高效率，流畅换挡，而且可以进行升级设计。该变速器能被完美应用于任何一部现代全电动或混合动力汽车，并可使电动引擎和电池动力达到最佳使用率。

相较于国外厂家都在研发双档或多档电动汽车减速器，国内厂家在开发电动汽车减速器时受制于技术经验不足、供应链不完善、整车厂集成控制能力不强等因素，大多仍停留在固定速比减速器的开发上^[9]。

株洲齿轮厂是较早开发电动车减速器的厂家，其产品株齿1T15如图1.8所示，采用两级平行轴式结构，最大输入扭矩180N m，最高输入转速9000r/min，传动比范围6.96-9.04，重量15kg。该减速器所用齿轮全部采用专为新能源产品设计的磨齿工艺、所用轴承全部采用进口高速静音轴承、壳体采用铸铝合金、主减速齿轮和差速装置组成一体，结构紧凑，外观精致。

图1.7 4档调速电驱动变速器 图1.8 株齿1T15

重庆青山公司的减速器产品EF116，最大输入转矩160N m，最高输入转速9000r/min，重量19kg，该减速器适配长安奔奔纯电动汽车，具有噪声低、传递效率高、轴向尺寸小的优点。

综合国内外纯电动汽车减速器研究现状可知，目前国内出现在市面上的纯电动汽车大多采用的都是固定速比减速器，这种减速器结构简单，技术已经比较成熟，使用成本也较低，但是固定的齿比在加速性能和最高车速方面对电力驱动装置存在一定的限制。两档或多档减速器能有效提高汽车传动系统的性能，使车辆能够适应更复杂的行使环境。

2. 研究的基本内容与方案

3 设计的基本内容、拟解决的主要问题和研究方法以及进度安排

3.1设计的主要参数

（1）最高车速：100 km/h

3. 研究计划与安排

3.5进度安排

总设计时间共15周：

第1-3周：查阅文献与外文文献翻译；

4. 参考文献（12篇以上）

5.阅读的参考文献

[1] 陈清泉, 孙立清.电动汽车的现状和发展趋势[j].科技导报.2005(04):24-8.

[2] 王量. 纯电动汽车减速器结构设计和分析 [硕士]: 吉林大学; 2015.